人股骨头大孔径髓芯减压后支撑架植入生物力学分析

【摘要】  ［目的］观察钛合金支撑架植入对经转子大孔径髓芯减压后人股骨头力学强度的影响。［方法］取新鲜人股骨头9对，随机分成3组，每组3对。其中2组随机选取每对中的一侧，分别模拟经股骨颈大孔径(D=16 mm)单纯髓芯减压、大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入治疗股骨头坏死的方法做成治疗后的状态，另一侧做正常对照，第3组随机选取其中一侧模拟经股骨颈大孔径单纯髓芯减压，另一侧模拟经股骨颈大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入，在AGS-10 KND万能生物材料实验机上进行力学性能测试，观察3组标本股骨头的力学刚度及强度，对每对标本的实验结果标准化后进行统计学分析。［结果］单纯大孔径髓芯减压组和正常对照组力学曲线成单峰状，大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入组力学曲线呈双峰状。单纯大孔径髓芯减压组刚度及最大负载明显低于正常对照组(P<0.05)，钛合金支撑架植入组初峰刚度及最大负载与正常对照组无明显统计学差异(P>0.05)，次峰最大负载明显高于正常对照组(P<0.05)。［结论］经转子大孔径髓芯减压会明显降低股骨头负重区的力学强度。钛合金支撑架植入能给股骨头负重区软骨下骨提供足够的机械支撑力，起到防止股骨头塌陷，维持股骨头外形的作用，有利于坏死股骨头的再生和修复。

【关键词】  股骨头缺血性坏死　髓心减压术　支撑架　生物力学

　　Biomechanical study of titanium alloy cage implantation for the large aperture core decompression of femoral head

　　WANG Ruiying,LI Qian,FU Dehao,et al

　　Department of Orthopaedics,Affiliated Hospital of Guilin Medical College,Guilin 541001,China

 　   Abstract：［Objective］To study the biomechanics effect of large aperture (D=16mm) core decompression and the use of alloy cage in femoral head.［Method］Nine couples of fresh moist human's femur specimens were divided randomly into 3 groups.In 2 groups,biomechanical test of the femoral neck was made for one of every couple in different conditions: large aperture core decompression (group 1),large aperture core decompression with titanium alloy cage (group 2)implant.The other one of every couple was tested as normal control.In the third group,one of every couple was tested in condition of large aperture core decompression with titanium alloy cage implanting.The other one of every couple was tested in condition of large aperture core decompression.［Result］The loaddisplacement curve of group 1 and the normal control had single peak,and the curve of group 2 had double peaks.The stiffness and the max load of group 1 were much less than that of the normal control (P<0.05).There were no statistic differences of the stiffness and the max load between group 2 in the first peak and the normal control (P>0.05),but the max load of group 2 in the second peak  were  much  lager  than  that  of  the  normal  control (P<0.05).［Conclusion］The large aperture core decompression could decrease mechanical support for femoral head significantly.The titanium alloy cage implant could afford enough power for mechanical support of femoral head.It was beneficial for sustaining the shape of femoral head.This treatment can be used for the ischemic necrosis of femoral head.
   
　　Key words：femoral head necrosis；  core decompression；  cage;  biomechanics

　　股骨头坏死早期理想的治疗效果是抑制或阻止病变的发展，防止关节面的塌陷，避免或延缓行关节置换术。传统的保留股骨头的治疗办法对股骨头的力学重建重视不足。术后股骨头内缺乏有力的支撑而无法阻止股骨头的进一步塌陷［1］。为此，作者设计制造中空多孔圆柱状带螺纹的钛合金支撑架，通过髓芯减压隧道植入，强化力学结构，结合自体骨移植治疗早期股骨头坏死［2,3］。为了解该手术对股骨头生物力学的影响，本实验对大孔径(D=16 mm)髓芯减压、大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入治疗股骨头坏死这2种方法进行生物力学测试，为临床提供实验依据。

　　1  材料与方法

　　1.1  支撑架

    　钛合金支撑架为杨述华教授等人设计(专利号：2004200648942)。为中空圆柱状，近端钝圆带中心导针孔，远端开口，周围带螺纹，周壁多孔呈网眼状，长28 mm，外径16 mm，内径13 mm，螺距2.5 mm。其合金组成为钛铝四矾(图1)。

　　1.2  实验分组

　    取自愿捐献遗体脑外伤死亡青壮年男性新鲜股骨9对，剔除软组织后双层塑料袋密封，置入-80℃超低温冰箱(SANYO，日本生产)中冷冻保存。测试前36 h取出，室温下自然解冻。随机分3组，每组3对。其中2组随机选取每对中的一侧，分别模拟经股骨颈大孔径单纯髓芯减压、大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入治疗股骨头坏死的方法做成治疗后的状态，另一侧做正常对照，对照组无任何处理。第3组随机选取其中一侧模拟经股骨颈单纯髓芯减压，另一侧模拟经股骨颈髓芯减压+钛合金支撑架植入。

　　1.3  标本制作

　　在标本上模拟人体上的钻孔植入过程。单纯大孔径髓芯减压实验侧，用直径13 mm的麻花钻从股骨大转子下骨皮质经股骨颈斜向股骨头钻隧道，直达股骨头软骨下骨板下5 mm处，外径16 mm的丝攻攻丝。大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入组钻孔后拧入支撑架(图2)。

　　1.4  实验仪器

  　  日本岛津公司生产的AGS-10 KND万能生物材料实验机，最大拉压力为10 kN，拉压速率0.5-500 mm／min。

　　1.5  测试方式

   　 设计专用夹具，将每个标本固定在自制的股骨夹具上，调整成前屈20°，内收5°，股骨头前倾15°位置，用直径10 mm的柱状钢压块在上加压，钢压块末端制成凹球面状，加压前在压块和股骨头之间用骨水泥偶合接触面，预加载后去除多余的骨水泥，待骨水泥干透后行正式加载。本实验加压速率为5 mm／min。实验机内的电脑自动记录载荷信号生成位移-载荷曲线及相关数据，并由WinAGSlite 2000测试分析软件计算获得相关数据。

　　1.6  统计学方法

 　   对测得数据进行标准化，减少个体差异。将数据分为单纯髓芯减压组、髓芯减压+钛合金支撑架植入组和正常对照组3组，每组6个标本。采用SPSS 1010分析处理相关数据行方差分析和t检验。

　　2  结 果

　　2.1  各组股骨标本的刚度及最大负载结果

　　单纯大孔径髓芯减压组刚度及最大负载明显低于正常对照组(P<0.05)，钛合金支撑架植入组初峰刚度及最大负载与正常对照组无明显统计学差异(P>0.05)，次峰最大负载明显高于正常对照组(P<0.05)(表1)。表1  股骨头的刚度(N/mm)及最大负载(N)(略)

　　2.2力学分析位移-载荷曲线(图3)

　　图中纵坐标表示AGS210 KND万能生物材料实验机所施加的载荷，横坐标表示所产生的位移。从图中可以看出单纯大孔径髓芯减压组和正常对照组力学曲线成单峰状，大孔径髓芯减压+钛合金支撑架植入组力学曲线呈双峰状。3种状态下刚度曲线在位移约2 mm时达到拐点，在达到拐点前的上升段线性关系良好。单纯大孔径髓芯减压组曲线明显较另2组低平。钛合金支撑架植入组初峰与正常对照组基本重合，次峰高度明显高于初峰。

　　3  讨 论

　　3.1  股骨头坏死保头治疗现状
   
　　股骨头坏死是骨科常见的难治性疾病，尤其非创伤性股骨头坏死高发于中青年患者(平均38岁)，如不治疗，80％的患者将在4年内出现股骨头塌陷和骨性关节炎［4］。股骨头坏死的保头治疗已受到越来越多的关注。

　    由于股骨头坏死的病理特点，在关节面塌陷之前，任何早期治疗的理想目标都是要延迟或阻止病情的发展。文献报道只有在股骨头塌陷前进行治疗的患者才能获得满意的疗效。最佳治疗时机是在疾病的早期阶段，关节面没有塌陷，软骨下骨的机械支撑还没有丧失的时候(Ficat Ⅰ、Ⅱ期)［5］。在塌陷前期治疗股骨头坏死的同时设法保护或恢复负重区的软骨下骨力学性能的稳定性，或对其提供足够的力学支撑，防止其塌陷［3］。

　    Mont等［6］回顾了42篇文献，共2 025例患者，发现保守治疗只有22.7％的患者可获得满意的疗效，而髓芯减压治疗的满意率为63.5％。带血供的骨块移植比不带血供的骨块与周围骨质融合的更快，融合率更高［7］。
   
　　Soucacos等［8］报告采用大块同种异体骨移植到股骨头内提供支撑的改良髓芯减压法，疗效达68％。后来Berend等［9］对这种方法进行了改进，利用股骨外侧髓芯隧道减压，自体或异体腓骨、髂骨移植，虽然早期疗效令人满意，但长期随访显示成功率很低，为48％。Gonzalez等［10］报告285例406髋髓芯减压加自体颗粒松质骨移植的临床疗效，术后平均随访29个月，其中28％的Ficat Ⅰ期和34％的Ficat Ⅱ期患者需行全髋关节置换术，而塌陷后的Ⅳ期患者中，有49％需行全髋关节置换。Leali等［11］将行单纯髓芯减压术的患者和行髓芯减压加脱钙骨基质移植患者的临床疗效进行了比较，髓芯减压组包括Ficat Ⅱ期43髋，Ficat Ⅲ期47髋；髓芯减压加脱钙骨基质组包括Ficat Ⅱ期27髋，Ficat Ⅲ期20髋。术后虽然早期效果满意，但对Ficat Ⅱ期患者的长期随访中发现髓芯减压加脱钙骨基质组较单纯髓芯减压组的成功率提高11％，对Ficat Ⅲ期患者的随访中两者差异无统计学意义。

　　3.2  力学曲线分析

　    本实验中，正常对照组曲线达到峰值曲线下降后缓慢上升，显示松质骨压缩堆积后，支撑力量缓慢增加。大孔径减压组曲线上升阶段较正常对照组斜率小，考虑为大孔径减压后，软骨下骨质形成穹隆样拱顶结构，在骨质发生压缩形变的同时，拱顶发生形变所致。由于孔径大于测试时压块位移距离，所以此曲线未见到松质骨压缩堆积后的曲线上升段。钛合金支撑架植入组曲线呈双峰状，初峰与正常对照组基本重合，为支撑架植入后，支撑架与股骨头表面之间骨质压缩形变形成。次峰为压块通过压缩骨质逐步将负载传递至支撑架，支撑架将负载分散到周围骨质所形成，因支撑架的力学传递扩大了受力面，提供更多支撑力，使次峰高度明显高于初峰。本实验数据说明：钛合金支撑架植入能对股骨头关节面软骨下骨提供足够的力学支撑，在大孔径髓芯减压后，能起到切实的防止股骨头塌陷，维持股骨头外形的作用，有利于坏死股骨头的再生和修复。动物实验［3，12］和临床应用［12］也证实，钛合金支撑架植入治疗股骨头坏死，能为坏死股骨头软骨下骨板提供足够的力学支撑。在治疗Ficat Ⅰ～Ⅱ期的股骨头坏死时，取得满意的疗效。

　　3.3  股骨头强化力学结构支撑体的选择

 　   理论上植入物的强度不小于正常股骨头松质骨，且与周围骨质结合紧密，能将应力均匀分散到周围骨质并且在体内其力学强度能够维持足够的时间，即可满足股骨头强化力学结构支撑体植入手术的要求。
   
　　目前强化力学结构治疗股骨头坏死的方法中使用的支撑体主要有：自体松质骨［10］、皮质骨、同种异体松质骨、皮质骨［5，13］，人工骨，可吸收聚乳酸材料和金属材料。其中自体、异体松质骨和人工骨不能提供足够的力学强度及力学支撑时间。自体骨的来源有限且会增加患者手术创伤。金属材料如钽棒［14］、钛合金材料的机械强度明显高于股骨头，存在一定应力遮挡，而且造成手术失败后患者后期行髋关节置换时内固定材料取出困难和股骨颈截骨困难。同种异体皮质骨和可吸收自增强聚乳酸材料的来源及加工相对容易，能提供足够的支撑力并维持足够的力学支撑时间，是目前比较理想的支撑材料，如能够加工成类似支撑架的笼网状，在中空多孔的支撑体中植入自体松质骨、血管内皮生长因子、骨形态发生蛋白等具有骨诱导作用的生物活性材料，促进股骨头再生修复，可望取得更好的临床效果。

【参考文献】
  　　［1］Ruiying W,Yan G,Shuhua Y,et al.Titanium alloy cage implantation for the treatment of ischemic necrosis of femoral head in dogs［J］.Huazhong Univ Sci Tech Med Sci,2008,2:163-166.

　　［2］杨述华，杨 操，王锐英，等．空心钛支撑架结合自体骨移植治疗股骨头坏死［J］．临床骨科杂志，2005，4：289-291．

　　［3］王锐英，张其亮，傅德皓，等．钛合金支撑架植入治疗股骨头缺血性坏死的动物实验研究［J］．中国矫形外科杂志，2007，7：538-540．

　　［4］Mont MA,Carbone JJ,Fairbank AC.Core decompression versus nonoperative management for osteonecrosis of the hip［J］.Clin Orthop,1996,324:169-178.

　　［5］杨述华，杨 操，李宝兴，等．强化力学结构治疗股骨头坏死的临床研究［J］．中华骨科杂志，2006，5：313-316．

　　［6］Mont MA,Ragland PS,Etienne G.Core decompression of the femoral head for osteonecrosis using percutaneous multiple small-diameter drilling［J］.Clin Orthop Relat Res,2004,429:131-138.

　　［7］Urbaniak JR,Harvey EJ.Revascularization of the femoral head in osteonecrosis［J］.J Am Acad Orthop Surg,1998,6:44-54.

　　［8］Soucacos PN,Beris AE,Malizos K,et al.Treatment of avascular necrosis of the femoral head with vascularized fibular transplant［J］.Clin Orthop Relat Res,2001,386:120-130.

　　［9］Berend KR,Gunneson EE,Urbaniak JR.Free vascularized fibular grafting for the treatment of postcollapse osteonecrosis of the femoral head［J］.J Bone Joint Surg(Am),2003,85:987-993.

　　［10］Gonzalez A,Bates J,DiCarlo E,et al.Failure of free vascularized fibular graft for osteonecrosis of the femoral head: a histopathologic study of 6 cases［J］.J Arthroplasty,2005,20:331-336.

　　［11］Leali A,Fetto J,Hale JJ.Biostructural augmentation for the treatment of osteonecrosis: rationale,technique,and case example［J］.J South Orthop Assoc,2002,11:167-171.

　　［12］王锐英，杨述华，杨 操，等．支撑架植入防止髓芯减压后狗股骨头塌陷的力学研究［J］．中国矫形外科杂志,2005,15：1156-1158．

　　［13］许伟华，杨述华，李宝兴，等．同种异体皮质骨支撑骨笼联合自体骨移植治疗股骨头坏死［J］．中国修复重建外科杂志,2009,5：527-529．

　　［14］Varitimidis SE,Dimitroulias AP,Karachalios TS,et al.Outcome after tantalum rod implantation for treatment of femoral head osteonecrosis: 26 hips followed for an average of 3 years［J］.Acta Orthop,2009,1:20-25.

作者单位：　1．广西桂林医学院附属医院，桂林 541001；2．华中科技大学附属协和医院骨科，武汉 430022；　　基金项目：国家教育部“春辉计划”资助项目(编号：Z2005245001)